JP2012180876A - 管構造体及びこれを用いたバッテリ温調システム - Google Patents

Abstract

【課題】 連結対象となる構造体の個数に応じて容易に分岐数や長さ等の構造を変更することができる管構造体を提供する。
【解決手段】 複数の管ユニット１５を連結してなる管構造体４であって、管ユニットは、両端が開口した管状の主管部１７と、主管部の一端に連続した円管状の挿入端部１８と、主管部の他端に連続した受容端部３３と、主管部の主管部の中間部から分岐した分岐管部４０とを有し、挿入端部の外周面及び受容端部の内周面の一方には凸部２７が形成される一方、他方には凸部よりも大きい係止孔３７が形成され、任意の管ユニットの挿入端部は、他の管ユニットの受容端部に挿入され、挿入端部の外周面と受容端部の内周面との間は可撓性を有するシール部材３０によって封止され、凸部は係止孔に遊嵌し、凸部が係止孔内を変位可能な範囲で、挿入端部は受容端部に対して出没及び回転可能に支持される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の管ユニットを連結してなる管構造体に関する。また、この管構造体を熱交換媒体の送給通路として使用したバッテリ温調システムに関する。

電気自動車等の電源に、複数の電池セルを直列又は並列に接続してなるバッテリパックを使用したものがある。バッテリパックの充放電性能は温度に依存するため、大電流を取り出す場合にはバッテリパックを冷却して温度上昇を抑制する一方、使用開始等の温度が低い場合にはバッテリパックを昇温することが好ましい。このような観点からバッテリパックを筐体内に配置し、暖機風又は冷却風を筐体に供給してバッテリパックの温度調節を行うようにしたものがある（例えば、特許文献１）。

特開２０１０−２２５４８５号公報

以上のようなバッテリパックの温調システムにおいて、温度調節をより安定的かつ効率的に行うべく、空気に代えて水等の媒体を用いて温度調節を行いたいという要求がある。この場合には、通路を備えた熱交換器を電池セル間に配置し、各熱交換器のそれぞれに媒体を送給することが必要になる。しかしながら、バッテリパックを構成する電池セルの数が多い場合には、複数の熱交換器が必要になり、各熱交換器に媒体を送給するための管構造体が複雑になるという問題がある。また、所望の電圧に応じて必要となる電池セルの個数が増減するため、介装される熱交換器の個数も増減し、熱交換器の個数に応じた管構造体を適宜構築することが必要となり、設計及び製造上の手間が大きいという問題がある。

本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであって、連結対象となる熱交換器等の構造体の個数に応じて容易に分岐数や長さ等の構造を変更することができる管構造体を提供することを課題とする。また、この管構造体を用いた簡素な構造のバッテリ温調システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、複数の管ユニット（１５）を連結してなる管構造体（４）であって、前記管ユニットは、両端が開口した管状の主管部（１７）と、前記主管部の一端に連続した円管状の挿入端部（１８）と、前記挿入端部の外径よりも大きい内径を有し、前記主管部の他端に連続した受容端部（３３）と、前記主管部の前記主管部の中間部から分岐した分岐管部（４０）とを有し、任意の前記管ユニットの前記挿入端部は、他の前記管ユニットの前記受容端部に出没可能に挿入され、前記挿入端部の外周面と前記受容端部の内周面との間は可撓性を有するシール部材（３０）によって封止され、前記挿入端部は他の前記受容端部に対して変位可能となっていることを特徴とする。

この構成によれば、管ユニットを繋げるだけで任意の規模の管構造体を構築することができるため、例えば電池セルや熱交換器の個数に応じて管構造体の規模を容易に変更することができる。各管ユニット同士の連結は、挿入端部の受容端部への挿入によって行われるため、連結操作が容易である。また、各管ユニット同士は、可撓性を有するシール部材を介して連結されており、シール部材の滑りや変形によって互いに若干の相対変位が可能であるため、分岐管部の接続対象となる構造体が寸法誤差を有していても、管構造体は各管ユニットが相対変位して接続対象に確実に接続することができる。

本発明の他の側面は、前記挿入端部の外周面及び前記受容端部の内周面の一方には凸部（２７）が形成される一方、他方には前記凸部よりも大きい係止孔（３７）が形成され、任意の前記管ユニットの前記挿入端部が他の前記管ユニットの前記受容端部に挿入される際に、前記凸部は前記係止孔に遊嵌し、前記凸部が前記係止孔内を変位可能な範囲で、前記挿入端部は他の前記受容端部に対して変位可能となっていることを特徴とする。

この構成によれば、凸部が係止孔に遊嵌することで管ユニット同士が連結した状態に維持される。また、凸部は係止孔内を変位することができるため、その変位の範囲内で管ユニット同士も互いに相対変位することができる。

本発明の他の側面は、任意の前記管ユニットの前記挿入端部は、他の前記管ユニットの前記受容端部の内周面（３４）に摺接可能な外周面（２６）を有することを特徴とする。

この構成によれば、各管ユニット同士は、がた付きなく連結される。

本発明の他の側面は、前記分岐管部の端部には、連結対象となるパイプの端部を前記分岐管に連結するコネクタ（４１）が設けられ、前記コネクタは、前記パイプ（８、９）が挿脱されるパイプ挿入管（４３）と、前記パイプを係止するパイプ係止部（５３）を有し、当該パイプ係止部が前記パイプを係止するロック位置と、当該係止を解除するロック解除位置との間を移動可能に前記パイプ挿入管に対して保持されるロック部材（４４）と、前記ロック部材を前記ロック位置側に付勢する付勢手段（５３、５６）とを備えることを特徴とする。

この構成によれば、分岐管部と連結対象となるパイプとの連結をコネクタによって、着脱自在にすることができるため、連結作業が容易である。

本発明の他の側面は、上記の管構造体を有するバッテリ温調システム（１）であって、複数の電池セル（２）間に介装された複数の熱交換器（３）を有し、前記複数の熱交換器のそれぞれは、内部に通路（７）を有し、外面に前記通路に連通する入口管（８）及び出口管（９）が突設され、前記入口管及び出口管のそれぞれは、前記管構造体の各分岐管部に連結され、前記管構造体を介して前記複数の熱交換器のそれぞれに媒体が送給されることを特徴とする。

この構成によれば、熱交換器の個数に応じた管構造体を容易に構築することができる。

以上の構成によれば、連結対象となる構造体の個数に応じて規模を容易に変更することができる管構造体を提供することができる。また、この管構造体を用いて簡素な構造のバッテリ温調システムを提供することができる。

実施形態に係るバッテリ温調システムの分解斜視図 実施形態に係るバッテリ温調システムの要部を示す平面図 実施形態に係る管ユニットの斜視図 図２のIV−IV断面図 図４のV−V断面図 図２のVI−VI断面図

以下、図面を参照して、本発明を自動車用バッテリの温調システムに適用した実施形態について詳細に説明する。

図１に示すように、自動車用のバッテリ温調システム１は、複数の電池セル２と、電池セル２間に介装される複数の熱交換器３と、各熱交換器３に連結された一対の管構造体４とを有している。

各電池セル２は、リチウムイオン電池であり、そのケーシングは扁平な直方体状をなす。電池セル２のケーシングは、例えばＡＢＳ樹脂といった樹脂材料から形成されている。各電池セル２は、主面同士が対向するように、互いに積層されている。各電池セル２は、図示しない正端子及び負端子を備えており、それらの端子は、例えば各電池セル２が直列となるように導電性部材によって接続されている。なお、電池セル２は、鉛電池等の公知の他の電池であってもよい。

熱交換器３は、外形が扁平な直方体状に形成され、その主面は電池セル２のケーシングの主面と対向可能なように略同形に形成されている。熱交換器３は、熱伝導率の高い材料から形成されることが好ましく、例えばアルミニウムや銅といった金属から形成されている。熱交換器３は、その内部に液体及び気体が導通可能な通路７を備えている。通路７の一端は入口管８として熱交換器３の端部から突出し、他端は出口管９として熱交換器３の入口管８が突出した端部と相反する端部から突出している。入口管８及び出口管９は、同形の円管であり、それぞれ外周面に周方向に沿って延在する環状のバルジ部１０が突設されている。

図１及び図２に示すように、電池セル２を２つ続けて配置した後に熱交換器３を１つ配置する繰り返し単位をもって、電池セル２及び熱交換器３は積層されている。また、電池セル２及び熱交換器３の積層体の両端には、熱交換器が配置されるようになっている。また、各入口管８が互いに同方向を向き、かつ各出口管９が互いに同方向を向くように、各熱交換器３は向きが定められている。

一対の管構造体４は、各入口管８又は各出口管９に連続する分岐した配管であり、それぞれ同一構成の管ユニット１５を繋ぎ合わせて形成されている。

図３に示すように、管ユニット１５は、例えばＰＯＭ（ポリアセタール）といった樹脂材料から形成されており、円管である主管部１７を有する。主管部１７の一端には、挿入端部１８が一体に設けられている。挿入端部１８は、主管部１７側から順に、円管状を呈する基端部１９、先端部２０を同軸に有し、先端部２０の先端には挿入端部１８の内部及び主管部１７の内部に連通する開口２１が形成されている。

基端部１９は、主管部１７の外径よりも小さい外径を有し、外面において主管部１７との境界に段部２３を有している。先端部２０は、基端部１９の外径よりも小さく、かつ主管部１７の内径よりも小さい外径を有し、外面において基端部１９との境界に段部２４を有している。

基端部１９の外周面２６には、一対の凸部２７が径方向において互いに相反する位置に形成されている。各凸部２７は、先端部２０側の部分に、主管部１７側へと進むにつれて外周面２６からの突出量が大きくなるテーパ部と、主管部１７側の部分に基端部１９の軸線と直交する逆止面とを有している。

先端部２０は、周方向に延在する環状の突条２８を複数有する。なお、突条２８を含めて先端部２０の外径は、主管部１７の内径よりも小さくなっている。突条２８の１つには、周方向に延在する環状溝２９が形成されている。環状溝２９には、可撓性を有するゴムやシリコーン樹脂から形成されたシール部材としてのＯリング３０が嵌め着けられている。

主管部１７の挿入端部１８側と相反する端部には、主管部１７と同軸に連続する円管状の受容端部３３が一体に設けられている。受容端部３３の外径は、主管部１７の外径と同一であり、受容端部３３及び主管部１７の外周面は連続した面を形成している。図５に示すように、受容端部３３の内周側には、端部側から順に大径部３４と小径部３５とが形成されている。小径部３５は、主管部１７の内径と同一の内径を有し、内周面が主管部１７の内周面に滑らかに連続する。大径部３４は、小径部３５と段部３６を介して同軸に連続し、開口端を形成している。大径部３４の内径は、小径部３５の内径より大きく、挿入端部１８の基端部１９が嵌入可能な大きさに形成されている。

大径部３４には、周方向において各凸部２７とそれぞれ対応する位置に、径方向に貫通する係止孔３７が形成されている。係止孔３７は、大径部３４の周方向及び軸線方向において凸部２７よりも大きな幅（長さ）を有している。すなわち、各係止孔３７は大径部２４（主管部１７）の周方向において幅Ｌ１、大径部２４の軸線方向において幅Ｌ２を有し、各凸部２７は大径部２４（主管部１７）の周方向において幅Ｌ３、大径部２４の軸線方向において幅Ｌ４を有し、Ｌ１＞Ｌ３かつＬ２＞Ｌ４の関係となっている。

主管部１７の長手方向における中間部には、主管部１７と直交するように分岐管部４０が分岐している。分岐管部４０は、主管部１７と一体に形成されており、その内部は主管部１７の内部に連通している。分岐管部４０の開口端部には、パイプを連結するためのコネクタ４１が設けられている。コネクタ４１は、入口管８に連結するために用いられるものであり（同形である出口管９も同様）、入口管８が挿脱されるパイプ挿入管４３と、このパイプ挿入管４３の外周部に変位可能に支持され、その変位に応じて入口管８等の固定およびその解除を行うロック部材４４とから主として構成される。

図３及び図４を参照し、図３に示す座標軸を基準として説明すると、コネクタ４１は、分岐管部４０の端部に一体に形成された筒状のパイプ挿入管４３と、パイプ挿入管４３の外周に取り付けられるロック部材４４とを備える。パイプ挿入管４３は、上下・左右に対称な形状を有しており、入口管８が挿入される挿入孔４５内の基端側（前側）には、流路を密封するための２つのＯリング４８が、嵌め着けられたスペーサ４６及びブッシュ４７によって保持されている。パイプ挿入管４３の先端側（後側）の上部及び下部には、貫通孔である係止開口５１が形成されている。

ロック部材４４は、例えばポリアミド系樹脂といった樹脂材料からなる略筒状の部材であり、上下・左右に対称な形状を有する。ロック部材４４の上下には、その後端から後方に向けて弾性係止片５３がそれぞれ突設されている。弾性係止片５３の基端部の左右部分には、前方へ延びるスリット５４が形成され、弾性係止片５３の基端が前方へと延長されている。

弾性係止片５３は、ロック部材４４の径方向内側へと湾曲し、先端部が係止開口５１内に突入している。弾性係止片５３の径方向内側部分であって、係止開口５１の前縁部に対向する部分には、前方かつ径方向内方を向く傾斜面であるカム部５６が形成されている。これにより、ロック部材４４がパイプ挿入管４３に対して前方に移動する際には、係止開口５１の前縁部にカム部５６が摺接し、弾性係止片５３がロック部材４４の径方向外側へと弾性変形し、弾性係止片５３の先端部は係止開口５１から離脱する。そのため、初期状態（通常状態）においては、弾性係止片５３の復元力によってカム部５６が係止開口５１の前縁部を押圧し、ロック部材４４はパイプ挿入管４３に対して後方へと変位し、弾性係止片５３の先端部は係止開口５１内に突入した状態となる。すなわち、ロック部材４４は、弾性係止片５３によってパイプ挿入管４３に対して後方へと付勢されている。ロック部材４４のパイプ挿入管４３に対する後方への変位は、弾性係止片５３の先端が係止開口５１の後縁に当接することによって規制されている。なお、ロック部材４４のパイプ挿入管４３に対する前方への限界変位位置は、パイプ挿入管４３の外面に突設された規制片５７にロック部材４４の前縁が当接することによって規制されている。

弾性係止片５３の先端には、ロック部材４４の径方向内側に向けて係止爪５８が突設されている。通常状態においては、係止爪５８は、パイプ挿入管４３内に突出している。また、係止爪５８は、径方向内側に突設されたその先端部から後方へと延びる突片５９を有している。通常状態（すなわち、ロック部材４４がパイプ挿入管４３に対して後方に位置する状態）においては、突片５９は係止開口５１の前縁部に径方向内方から引っ掛かっており、弾性係止片５３の径方向外方への弾性変形は禁止されている。突片５９の径方向内側部分は、前方に進むほど径方向内側へと突出するテーパ面となっている。

以上のように構成したコネクタ４１は、初期状態において入口管８が挿入される際に、入口管８のバルジ部１０によって係止爪５８が前方へと押圧され、ロック部材４４がパイプ挿入管４３に対して前方に移動する。これによって突片５９と係止開口５１の前縁部との引っ掛かりが解除され、弾性係止片５３の径方向外方への弾性変形が可能となる。バルジ部１０によって係止爪５８が更に前方へと押圧され、ロック部材４４がパイプ挿入管４３に対して前方に移動すると、カム部５６が係止開口５１の後縁部に摺接し、弾性係止片５３が径方向外方への弾性変形する。また、バルジ部１０が突片５９のテーパ面を押圧することによって、弾性係止片５３を径方向外方へと弾性変形させる。これらにより、バルジ部１０は係止爪５８を前方へと乗り越え、ブッシュ４７に当接するまで前方に移動する。バルジ部１０が係止爪５８を前方へと乗り越えた後は、係止爪５８を前方へと押圧する荷重がなくなるため、弾性係止片５３の復元力によってカム部５６が係止開口５１の前縁部を押圧し、ロック部材４４はパイプ挿入管４３に対して後方へと変位して初期状態に復帰する。この状態では、突片５９が係止開口５１の前縁部に径方向内方から引っ掛かり、弾性係止片５３の径方向外方への弾性変形が禁止されているため、バルジ部１０が係止爪５８を後方へと乗り越えることはできず、入口管８はパイプ挿入管４３に突入した状態に保持される。このとき、入口管８の先端部外面とパイプ挿入管４３の内面との隙間は、２つのＯリング４８によってシールされる。

入口管８をコネクタ４１から抜き去る際には、手や工具によって、ロック部材４４をパイプ挿入管４３に対して前方に移動させ、突片５９と係止開口５１の前縁部との引っ掛かりを解除した状態で、入口管８をコネクタ４１から抜き去ればよい。

コネクタ４１は、入口管８をパイプ挿入管４３に挿入するだけで連結構造を形成することができるため、連結作業が容易である。なお、上記の説明では入口管８について説明したが、入口管８と同形の出口管９についても同様である。

以上のように構成した管ユニット１５を連結させて管構造体４を形成する方法について説明する。管ユニット１５同士の連結は、任意の第１管ユニット１５の挿入端部１８を、他の第２管ユニット１５の受容端部３３に挿入することによって行う。挿入作業によって、第１管ユニット１５の先端部２０は第２管ユニット１５の小径部３５内に突入し、第１管ユニット１５の基端部１９は第２管ユニット１５の大径部３４に突入し、第１管ユニット１５の各凸部２７は第２管ユニット１５の各係止孔３７に遊嵌する。このとき、基端部１９が大径部３４にがた付きなく、かつ軸線回りに回転可能に嵌入することによって、第１管ユニット１５と第２管ユニット１５とは同軸に配置される。また、Ｏリング３０が、先端部２０の外周面と小径部３５の内周面との隙間をシールする。

図６に示すように、各凸部２７は、その逆止面において各係止孔３７の孔縁部に引っ掛かることによって、挿入端部１８の受容端部３３からの抜け出しを阻止する。係止孔３７は、凸部２７に対して大径部３４の軸線方向及び周方向において幅が広いため（Ｌ１＞Ｌ３、Ｌ２＞Ｌ４）、凸部２７は係止孔３７内を変位することができる。これにより、第１管ユニット１５は、凸部２７が係止孔３７内で変位可能な範囲で、第２管ユニット１５に対して軸線方向に相対移動し、また軸線を中心とした相対回転することが可能となっている。

図２及び図５に示すように、管構造体４の末端に位置する受容端部３３は、めくら蓋６０によって封止される。このようにして、分岐した通路を有する管構造体４が形成される。管構造体４の隣接する分岐管部４０間の距離が、２つの電池セル２を挟んで配置される２つの熱交換器３の入口管８間の距離及び出口管９間の距離に一致するように、各管ユニット１５の主管部１７の長さが予め設定されている。

以上のように構成された管構造体４は、各分岐管部４０において、コネクタ４１を介して対応する入口管８又は出口管９に連結される。入口管８に接続された管構造体４の一端に設けられた挿入端部１８は、循環通路の供給側に接続され、出口管９に接続される管構造体４の一端に設けられた挿入端部１８は、循環通路の戻り側に接続される。循環通路は、経路内に媒体を圧送するためのポンプと、媒体の加熱及び冷却を行う温度調節装置とを備えている。媒体は、例えば水やシリコーン油等の液体や水蒸気、アンモニア等の気体といった公知の熱交換媒体であり、使用目的に応じて適宜選択すればよい。このようにして、管構造体４を含むバッテリ温調システム１が構成される。

以上のように構成したバッテリ温調システム１では、ポンプによって圧送された媒体は、入口管８に接続された管構造体４で分岐（分配）されて各熱交換器３に供給される。そして、各熱交換器３から排出される媒体は、出口管９に接続された管構造体４で集合されてポンプへと戻される。媒体の循環経路に配置される温度調節装置は、運転開始時等の各電池セル２の暖機を行いたい場合には媒体を加熱し、継続使用時等の各電池セル２を冷却したい場合には媒体を冷却する。

以上のように構成した管構造体４は、電池セル２の個数の増加に応じて熱交換器３の個数が増加する場合に、連結する管ユニット１５の個数を増やすだけで、熱交換器３の個数に対応した配管構造を構築することができるため、拡張性及び汎用性が高い。また、管構造体４を構成する各管ユニット１５は、互いに相対位置を若干変化させることができるため、電池セル２や熱交換器３の外形が寸法誤差を有していても、各入口管８及び各出口管９にこじれることなく適切に連結することができる。また、分岐管部４０と入口管８及び出口管９との連結部に、入口管８等を挿入するだけで連結構造を形成することができるコネクタ４１を使用したため、連結作業が容易である。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、係止孔３７は凸部２７が遊嵌し得る大きさであれば貫通孔ではない、有底孔であってもよい。また、上記の実施形態では、基端部１９の外周面に凸部２７を設け、大径部３４に係止孔３７を設ける構成としたが、大径部３４に凸部２７を設け、基端部１９に凸部２７が遊嵌する有底の係止孔３７を設けてもよい。また、管ユニット１５において凸部２７及び係止孔３７のいずれも省略してもよい。

管ユニット１５同士の相対回転を規制したい場合には、図３に二点鎖線で示すように、基端部１９の外周面２６にキー部６５を突設し、大径部３４にキー部６５が嵌合するキー孔６６を形成して両者を嵌合させるようにしてもよい。また、凸部２７の幅Ｌ３と係止孔３７の幅Ｌ１とを等しくし、凸部２７と係止孔３７とを周方向において係合させることによって、管ユニット１５同士の相対回転を規制してもよい。

１…バッテリ温調システム、２…電池セル、３…熱交換器、４…管構造体、７…通路、８…入口管、９…出口管、１０…バルジ部、１５…管ユニット、１７…主管部、１８…挿入端部、１９…基端部、２０…先端部、２６…外周面、２７…凸部、３０…Ｏリング、３３…受容端部、３４…大径部、３５…小径部、３７…係止孔、４０…分岐管部、４１…コネクタ、４３…パイプ挿入管、４４…ロック部材、４５…挿入孔、５１…係止開口、５３…弾性係止片、５６…カム部、５８…係止爪、５９…突片、６０…蓋体

Claims (5)

1. 複数の管ユニットを連結してなる管構造体であって、
   前記管ユニットは、
   両端が開口した管状の主管部と、
   前記主管部の一端に連続した円管状の挿入端部と、
   前記挿入端部の外径よりも大きい内径を有し、前記主管部の他端に連続した受容端部と、
   前記主管部の前記主管部の中間部から分岐した分岐管部とを有し、
   任意の前記管ユニットの前記挿入端部は、他の前記管ユニットの前記受容端部に出没可能に挿入され、前記挿入端部の外周面と前記受容端部の内周面との間は可撓性を有するシール部材によって封止され、前記挿入端部は他の前記受容端部に対して変位可能となっていることを特徴とする管構造体。
2. 前記挿入端部の外周面及び前記受容端部の内周面の一方には凸部が形成される一方、他方には前記凸部よりも大きい係止孔が形成され、
   任意の前記管ユニットの前記挿入端部が他の前記管ユニットの前記受容端部に挿入される際に、前記凸部は前記係止孔に遊嵌し、前記凸部が前記係止孔内を変位可能な範囲で、前記挿入端部は他の前記受容端部に対して変位可能となっていることを特徴とする請求項１に記載の管構造体。
3. 任意の前記管ユニットの前記挿入端部は、他の前記管ユニットの前記受容端部の内周面に摺接可能な外周面を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の管構造体。
4. 前記分岐管部の端部には、連結対象となるパイプの端部を前記分岐管に連結するコネクタが設けられ、
   前記コネクタは、
   前記パイプが挿脱されるパイプ挿入管と、
   前記パイプを係止するパイプ係止部を有し、当該パイプ係止部が前記パイプを係止するロック位置と、当該係止を解除するロック解除位置との間を移動可能に前記パイプ挿入管に対して保持されるロック部材と、
   前記ロック部材を前記ロック位置側に付勢する付勢手段と
   を備えることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つの項に記載の管構造体。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１つの項に記載の管構造体を有するバッテリ温調システムであって、
   複数の電池セル間に介装された複数の熱交換器を有し、
   前記複数の熱交換器のそれぞれは、内部に通路を有し、外面に前記通路に連通する入口管及び出口管が突設され、
   前記入口管及び出口管のそれぞれは、前記管構造体の各分岐管部に連結され、
   前記管構造体を介して前記複数の熱交換器のそれぞれに媒体が送給されることを特徴とするバッテリ温調システム。

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